Аудиомодулятор электрического разряда для проведения лабораторных работ по физике

Методика преподавания естественно-научных дисциплин

Коваленок Ю.И.

Пермский кадетский корпус ПФО им. Героя России Ф. Кузьмина (Россия, г. Усть-Качка)

Аннотация. Предлагаемый в данной работе аудиомодулятор электрического разряда создает эффект «поющих молний» и может воспроизводить любые звуковые колебания, а также инфразвук. Разработанное устройство предназначено для проведения лабораторных работ по физике.

Ключевые слова: аудиомодулятор, катушка Тесла, электрический разряд, звуковое колебание.

Audio modulator of electrical discharge for laboratory work in physics.

Abstract. The audio modulator of the electric discharge proposed in this work creates the effect of "singing lightning" and can reproduce any sound fluctuations, as well as infrasound. The device is designed to conduct laboratory work on physics.

Key words: audio modulator, Tesla coil, electric discharge, sound oscillation.

Аудиомодулятор электрического разряда для проведения лабораторных работ по физике.

Введение.

Аудиомодулятор электрического разряда представляет собой мощный радиопередатчик с амплитудной модуляцией  на базе ламповой катушки Тесла (ЛКТ), который настроен на четвертую часть от длины волны.

Аудиомодулятор электрического разряда используется как источник модулированных электромагнитных волн при сборке детекторного радиоприемника, наглядной интерпретации скин-эффекта, для изучения электрического тока в газах и физики плазмы, удобен для изучения принципов радиосвязи и беспроводной передачи энергии на расстояние.

Целью данной работы являлось создание аудиомодулятора электрического разряда для использования при проведении лабораторных работ по физике.

Разработанное в данной работе устройство представляет собой ЛКТ на отечественной радиолампе ГУ-81М (схема с пентодным подключением). Амплитудная модуляция резонансной частоты (в нашем случае 300 кГц) осуществляется мощным биполярным транзистором в катодной цепи. Тем самым катушка способна воспроизводить любые звуковые частоты. Большинство транзисторных катушек Тесла воспроизводят звук благодаря широтно-импульсной модуляции, что требует наличия специальных микросхем, которые обычно называются драйверами управления затвором. Последовательность прямоугольных импульсов со звуковой  частотой подается на вход ENABLE драйверов управления затвором, тем самым создается эффект поющих молний. В аудиомодуляторе для достижения звучания разряда используется амплитудная модуляция путем пропускания той или иной силы тока через биполярный транзистор в катодной цепи. Перейдем к более подробному описанию установки.

Описание устройства.

«Аудиомодулятор» представляет собой ламповую катушку Тесла с амплитудной модуляцией в катодной цепи. Собрана катушка по схеме (смотреть Приложение №1). Известно, что ламповые катушки Тесла (ЛКТ) на базе ГУ-81М делаются посредством триодного подключения сеток: то есть все три сетки объединяются в одну. Но для получения устойчивой аудиомодуляции триодное включение не принесло успеха. После этого  решено было  использовать  пентодное включение.

Для того чтобы получить автогенератор незатухающих колебаний  нужен источник высокого напряжения. Для этого подошел  высоковольтный трансформатор от микроволновой печи (МОТ), на выходе которого получается  напряжение 1,5-2 кВ. Этого вполне достаточно для питания отечественной  лампы ГУ-81М.

После автотрансформатора получаем высокое, но переменное напряжение. Для того чтобы использовать  радиолампу ГУ-81М нужно постоянное напряжение. Соответственно  подсоединяем  диодный мост (двухполупериодный выпрямитель), из высоковольтных диодов типа КЦ201Е, и параллельно выходу диодного моста ставим конденсатор большой ёмкости (у нас 2 мкФ) и рассчитанный на большое напряжение (на схеме это конденсатор С1). Очень важно параллельно выходу диодного моста подключить защиту по высокой частоте  (ВЧ), т.к. «Аудиомодулятор» имеет  несущую частоту генерации автоколебаний  порядка  300 кГц. В качестве защиты по ВЧ мы использовали  высоковольтный высокочастотный конденсатор типа КВИ-2.

В качестве вторичной обмотки трансформатора использовалась медная проволока диаметром 0,5 мм, намотанная на каркасе от канализационной трубы диаметром 100 мм, высота обмотки 0,5 м. Кол-во витков около 1000. Соотношение диаметра к длине намотки 1:5. Первичная обмотка  (на схеме L₁) трансформатора представляет собой толстый алюминиевый  провод диаметром 2,2 мм. Кол-во витков 30, с отводами начиная от пятого витка. Катушка обратной связи (L₂) представляет собой медный провод диаметром 1,5 мм, кол-вом витков 25. Катушки L₁ и L₂  намотаны на канализационную трубу диаметром 160 мм. Первая сетка соединяется с катодом через последовательный гридлик состоящий из конденсаторов общей ёмкости 2350 пкФ и переменного резистора 10 кОм большой мощности 30 Вт. Настройка гридлика задает рабочей режим генератора, устанавливая нужное напряжение смещения относительно катода лампы. Третья сетка соединяется с катодом для устранения антидинатронного эффекта, в рамках  общей теории  пентодного подключения радиоламп. Вторая сетка (экранирующая) подключена к отдельному источнику питания (600 В) , причем для достижения нужного эффекта подключаем между катодом и «+» источника питания керамические высокочастотные конденсаторы, а для достижения нужного 600 В напряжения подключаем электролитические конденсаторы большой ёмкости (можно использовать стандартную схему умножителя напряжения).  Первичная катушка в анодной цепи вместе с высокочастотным конденсатором С₃ образует параллельный колебательный контур. Подбором ёмкости конденсатора С₃   настраиваем фазу открытия и закрытия лампы для более эффективной генерации электромагнитных колебаний.  Амплитудная модуляция  в катодной цепи осуществляется за счет включения мощного силового биполярного транзистора npn- типа (был взят из старых ЭЛТ мониторов, например, TOSHIBA C5339).  Для того, чтобы вышеуказанные транзисторы работали в качестве усилителя (в режиме А) между коллектором и базой подключаем переменный резистор не менее 10 кОм, обеспечиваем при этом необходимый  ток базы  (в электронике – нулевой ток базы). В качестве фильтра по высокочастотным колебаниям между коллектором и эмиттером подключаем два конденсатора - C₈ (высокочастотная керамика) и C₉ (пленочный К7317). Подбором С₉ и входным C₇ регулируем качество звука и высоту разрядов стримера.

Номинальные значения остальных элементов цепи:

R₁ -  переменный  резистор большой мощности порядка 10 Вт и более сопротивлением до 10 кОм.

С₈ - высокачастотный керамический конденсатор типа (КВИ) ёмкостью 10 пкФ и на напряжение 4 кВ.

С₉ - пленочный конденсатор, ёмкость подбирается экспериментально, в нашем случае порядка 1 мкФ напряжение 400 В.

С₇-С₁ - пленочный конденсатор, ёмкость подбирается экспериментально 1-2мкФ, напряжение любое.

R₂ - резистор для нулевого тока базы 10 кОм мощностью 10 Вт.

С₃ - исключительно керамический конденсатор рассчитан на напряжение не менее 4 кВ, ёмкость подбирается экспериментально исходя из кол-ва витков первичной катушки и резонансной частоты вторичной катушки (в нашем случае резонансная частота вторичной катушки около 300 кГц)

Биполярный транзистор – любой мощный биполярный транзистор из компьютерного блока питания.

L₂-катушка обратной связи, мотается экспериментально любым проводом с изоляцией.

Все остальные элементы подбираются исходя из элементарных знаний по физике (Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема аудиомодулятора электрического разряда.

Внешний вид устройства приведен на Рисунке 2.

Рисунок 2. Внешний вид устройства.

Демонстрация эксперимента см. Видео к статье.

Таким образом, разработанный в данной работе аудиомодулятор электрического разряда способен воспроизводить любые звуковые колебания в отличие от американских катушек Тесла, которые способны воспроизводить исключительно полифонические мелодии на основе программирования. Также устройство может воспроизводить инфразвук, что может быть использовано для изучения биологического влияния  резонансных электромагнитных волн на живые организмы.

Аудиомодулятор электрического разряда очень удобен на уроках физики в качестве демонстрационного экспоната для изучения принципов радиосвязи (Рисунок 3). Устройство является хорошим мотиватором к изучению точных, инженерно-технических наук. Важно! Прибор вызывает эффект усталости, потому требует отдельного биомедицинского исследования влияния резонансных электромагнитных волн на живые организмы.  Устройство является сильным помеховызывающим средством, это нужно учитывать при демонстрационных экспериментах, особенно при наличии электронных компонентов в сердце и т.д.

Рисунок 3. Использование аудиомодулятора электрического разряда на уроках физики.

Выводы:

В данной работе предложено устройство, которое модулирует по амплитуде высокочастотное поле трансформатора Тесла низкой частотой, создавая эффект «поющих молний». Аудиомодулятор электрического разряда изготовлен с целью достижения звучания любых звуковых колебаний в противоположность американским катушкам Тесла, которые способны воспроизводить исключительно полифонические мелодии на основе программирования. Наше устройство способно воспроизводить любые звуковые колебания, а также инфразвук, что может быть использовано для изучения биологического влияния  резонансных электромагнитных волн на живые организмы.

Сведения об авторе:

Ковалёнок Юрий Иванович - преподаватель физики Пермского кадетского корпуса ПФО им. Героя России Ф. Кузьмина

 Author:

Kovalyonok Yuri Ivanovich - a teacher of physics at the Perm Cadet Corps of the PFD by the name of Hero of Russia F. Kuzmin

• < Назад
• Вперед >